TEM-Immagine di un film α-SnWO4 (verde) rivestito con 20 nm NiOx (rosa). All'interfaccia di α-SnWO4 e NiOx si può osservare uno strato interfacciale aggiuntivo. Attestazione:HZB
I fotoanodi realizzati con ossidi metallici sono considerati una soluzione praticabile per la produzione di idrogeno con la luce solare. α-SnWO 4 ha proprietà elettroniche ottimali per la scissione fotoelettrochimica dell'acqua con la luce solare, ma si corrode facilmente. Strati protettivi di ossido di nichel prevengono la corrosione, ma ridurre la fototensione e limitare l'efficienza. Ora un team di HZB ha studiato al BESSY II cosa succede all'interfaccia tra il fotoanodo e lo strato protettivo. In combinazione con metodi teorici, i dati di misura rivelano la presenza di uno strato di ossido che compromette l'efficienza del fotoanodo.
L'idrogeno è un fattore importante in un sistema energetico sostenibile. Il gas immagazzina energia in forma chimica e può essere utilizzato in molti modi:come combustibile, una materia prima per altri combustibili e prodotti chimici o anche per generare elettricità nelle celle a combustibile. Una soluzione per produrre idrogeno in modo neutrale dal punto di vista climatico è la scissione elettrochimica dell'acqua con l'aiuto della luce solare. Ciò richiede fotoelettrodi che forniscono una fototensione e una fotocorrente quando esposti alla luce e allo stesso tempo non si corrodono in acqua. I composti di ossido di metallo hanno prerequisiti promettenti per questo. Per esempio, dispositivi solari di scissione dell'acqua che utilizzano vanadato di bismuto (BiVO 4 ) i fotoelettrodi raggiungono già oggi un'efficienza del ~8% dal solare all'idrogeno, che è vicino al massimo teorico del materiale del 9%.
Il limite teorico è del 20% in α-SnWO 4
Per raggiungere efficienze oltre il 9%, sono necessari nuovi materiali con una banda proibita più piccola. L'ossido di metallo α-SnWO 4 ha una banda proibita di 1,9 eV, che è perfettamente adatto per la scissione fotoelettrochimica dell'acqua. Teoricamente, un fotoanodo realizzato con questo materiale potrebbe convertire circa il 20% della luce solare irradiata in energia chimica (immagazzinata sotto forma di idrogeno). Sfortunatamente, il composto si degrada molto rapidamente in ambiente acquoso.
La protezione contro la corrosione ha un prezzo
Sottili strati di ossido di nichel (NiOx) possono proteggere l'α-SnWO 4 fotoanodo da corrosione, ma si è scoperto che riducono significativamente anche il fotovoltaggio. Per capire perché questo è il caso, un team guidato dalla dott.ssa Fatwa Abdi presso l'HZB Institute for Solar Fuels ha analizzato l'α-SnWO 4 interfaccia /NiOx in dettaglio a BESSY II.
Interfaccia esplorata a BESSY II
"Abbiamo studiato campioni con diversi spessori di NiOx con spettroscopia fotoelettronica a raggi X duri (HAXPES) presso BESSY II e interpretato i dati misurati con i risultati di calcoli e simulazioni, "dice Patrick Schnell, il primo autore dello studio e un dottorato di ricerca. studente presso la Scuola Internazionale di Ricerca HI-SCORE presso HZB. "Questi risultati indicano che un sottile strato di ossido si forma all'interfaccia, che riduce la fototensione, " spiega Abdi.
Outlook:livelli di protezione migliori
Globale, lo studio fornisce nuovi, approfondimenti fondamentali sulla natura complessa delle interfacce nei fotoelettrodi a base di ossido di metallo. "Queste informazioni sono molto utili per lo sviluppo di soluzioni a basso costo, fotoelettrodi scalabili dell'ossido di metallo, " dice Abdi. α-SnWO 4 è particolarmente promettente in questo senso. "Stiamo attualmente lavorando a un processo di deposizione alternativo per NiOx su α-SnWO 4 che non porta alla formazione di uno strato di ossido interfacciale, che è probabile che sia SnO 2 . Se questo ha successo, ci aspettiamo che le prestazioni fotoelettrochimiche di α-SnWO 4 aumenterà notevolmente».
